Start af den mest følsomme søgning endnu efter axion af mørkt stof

Takket være støjsvage superledende kvanteforstærkere opfundet på University of California, Berkeley, fysikere er nu i gang med den mest følsomme søgning endnu efter aksioner, en af ​​nutidens topkandidater til mørkt stof.

Axion Dark Matter Experiment (ADMX) rapporterede resultater i dag, der viser, at det er verdens første og eneste eksperiment, der har opnået den nødvendige følsomhed for at "høre" de tegn på mørke stofaksioner.

Milepælen er resultatet af mere end 30 års forskning og udvikling, med den nyeste brik i puslespillet i form af en kvanteenhed, der gør det muligt for ADMX at lytte efter aksioner tættere end noget eksperiment, der nogensinde er bygget.

John Clarke, en professor i fysik på forskerskolen ved UC Berkeley og en pioner i udviklingen af ​​følsomme magnetiske detektorer kaldet SQUID'er (superledende kvanteinterferensanordninger), udviklede forstærkeren for to årtier siden. ADMX -forskere, med Clarkes input, har nu indarbejdet det i ADMX -detektoren ved University of Washington, Seattle, og er klar til at rulle.

"ADMX er et kompliceret og ganske dyrt stykke maskiner, så det tog et stykke tid at bygge en passende detektor, så de kunne sætte SQUID -forstærkeren på den og demonstrere, at den fungerede som annonceret. Hvilket det gjorde, "Sagde Clarke.

ADMX -teamet offentliggjorde deres resultater online i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

"Dette resultat signalerer starten på den sande jagt på aksioner, "sagde Andrew Sonnenschein ved Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) i Batavia, Illinois, driftslederen for ADMX. "Hvis der findes aksioner af mørkt stof inden for frekvensbåndet, vil vi undersøge de næste par år, så er det kun et spørgsmål om tid, før vi finder dem. "

Mørkt stof:MACHO'er, WIMP'er eller aksioner?

Mørkt stof er den manglende 84 procent af materien i universet, og fysikere har ledt meget efter mange mulige kandidater, mest fremtrædende massive kompakte glorieobjekter, eller MACHO'er, og svagt interagerende massive partikler, eller WIMP'er. På trods af årtiers søgen efter MACHO'er og WIMP'er, forskere har slået til; de kan se virkningerne af mørkt stof i universet, i hvordan galakser og stjerner inden for galakser bevæger sig, men de kan ikke se mørkt stof i sig selv.

Axioner er ved at blive det foretrukne alternativ, dels fordi deres eksistens også ville løse problemer med standardmodellen for partikelfysik i dag, herunder det faktum, at neutronen skal have et elektrisk dipolmoment, men gør ikke.

Ligesom andre kandidater i mørkt stof, aksioner er overalt, men svære at opdage. Fordi de interagerer med almindeligt stof så sjældent, de strømmer gennem rummet, selv passerer gennem Jorden, uden at "røre" almindeligt stof. ADMX anvender et stærkt magnetfelt og et afstemt, reflekterende boks for at tilskynde aksioner til at konvertere til mikrobølgefrekvente fotoner, og bruger kvanteforstærkeren til at "lytte" efter dem. Alt dette gøres ved den lavest mulige temperatur for at reducere baggrundsstøj.

Clarke lærte om en vigtig anstødssten for ADMX i 1994, når han mødtes med fysiker Leslie Rosenberg, nu professor ved University of Washington og chefforsker for ADMX, og Karl van Bibber, nu formand for UC Berkeleys afdeling for atomteknik. Fordi aksionsignalet ville være meget svagt, enhver detektor skulle være meget kold og "stille". Støj fra varme, eller termisk stråling er let at fjerne ved at afkøle detektoren til 0,1 Kelvin, eller cirka 460 grader under nul Fahrenheit. Men det var svært at fjerne støj fra standard halvleder -transistorforstærkere.

De spurgte Clarke, ville SQUID forstærkere løse dette problem?

Superkølede forstærkere sænker støj til absolut grænse

Selvom han havde bygget SQUID -forstærkere, der fungerede op til 100 MHz frekvenser, ingen arbejdede ved de nødvendige gigahertz -frekvenser, så han gik i gang med at bygge en. I 1998, han og hans samarbejdspartnere havde løst problemet, takket i stor udstrækning til den indledende finansiering fra National Science Foundation og efterfølgende finansiering fra Department of Energy (DOE) gennem Lawrence Berkeley National Laboratory. Forstærkerne på ADMX blev finansieret af DOE gennem University of Washington.

Clarke og hans gruppe viste, at afkølet til temperaturer på titalls milliKelvin over absolut nul, Microstrip SQUID -forstærkeren (MSA) kunne opnå en støj, der var kvantebegrænset, det er, kun begrænset af Heisenbergs Usikkerhedsprincip.

"Du kan ikke gøre bedre end det, "Sagde Clarke.

Denne meget mere støjsvage teknologi, kombineret med køleenheden, reducerede støjen med en faktor på ca. 30 ved 600 MHz, så et signal fra aksionen, hvis der er en, skal komme højt og tydeligt igennem. MSA i øjeblikket i drift på ADMX blev fremstillet af Gene Hilton ved National Institute of Standards and Technology i Boulder, Colorado, og testet, kalibreret og pakket af Sean O'Kelley, en kandidatstuderende i Clarkes forskningsgruppe ved UC Berkeley.

ADMX -teamet planlægger langsomt at indstille millioner af frekvenser i håb om at høre en klar tone fra fotoner produceret af axionforfald.

"Dette resultat planter et flag, "sagde Rosenberg." Det fortæller verden, at vi har følsomheden, og har et meget godt skud til at finde aksionen. Ingen ny teknologi er nødvendig. Vi har ikke brug for et mirakel mere, vi har bare brug for tiden. "

Clarke bemærkede også, at højfrekvensen, lavstøjs kvante SQUID forstærkere, han opfandt til ADMX, har siden været ansat i et andet varmt fysikområde, at aflæse de superledende kvantebits, eller qubits, til fremtidens kvantecomputere.